某新能源車用永磁同步電機(jī)嘯叫優(yōu)化

【摘 要】針對(duì)純電動(dòng)汽車在25～50km/h車速時(shí)出現(xiàn)48階嘯叫問題，文章通過在轉(zhuǎn)子表面開輔助槽減低電磁激勵(lì)，改善NVH性能并進(jìn)行轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核分析。優(yōu)化后方案48階扭矩波動(dòng)大幅下降，最高工作轉(zhuǎn)速16000r/min下強(qiáng)度安全系數(shù)1.46，1.1倍最高工作轉(zhuǎn)速17600r/min下強(qiáng)度安全系數(shù)1.6。最后通過實(shí)車NVH主觀評(píng)估滿足要求，48階車內(nèi)噪聲在車速25～60km/h范圍內(nèi)比優(yōu)化前改善5～10dB。

【關(guān)鍵詞】NVH優(yōu)化;扭矩波動(dòng)優(yōu)化;電磁力優(yōu)化;結(jié)構(gòu)強(qiáng)度

中圖分類號(hào)：U469.72 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-8639（ 2024 ）11-0071-04

Optimization of Gearbox CLTC Working Condition Efficiency Based on Particle Swarm Algorithm

【Abstract】In order to solve the problem of 48th-order acoustic noise in pure electric vehicles at 25～50km/h，this paper reduces the electromagnetic excitation by opening symmetrical auxiliary grooves on the rotor surface to improve the NVH performance，and then performs the rotor structure strength verification analysis. After the optimization，the 48th order torque ripple is greatly reduced. The strength safety factor is 1.46 at the maximum working speed of 16000r/min，and the strength safety factor is 1.6 at 1.1 times the maximum working speed of 17600r/min. Finally the requirements are met through the NVH subjective evaluation of the actual vehicle，and the Cabin noise of the 48th order is improved by 5～10dB compared with that before the optimization in the range of 25～50km/h.

【Key words】NVH optimization;torque ripple optimization;electromagnetic force optimization;structural strength

0 引言

近年來隨著新能源汽車的推廣及消費(fèi)者對(duì)整車性能追求的提升，車輛NVH性能成為整車開發(fā)過程中必不可少的評(píng)價(jià)指標(biāo)。電驅(qū)NVH性能是整車NVH性能的重要組成部分，也是噪聲產(chǎn)生的主要源頭，對(duì)電驅(qū)NVH優(yōu)化能夠改善整車聲品質(zhì)，進(jìn)而提高整車舒適性和競(jìng)爭(zhēng)力。

文獻(xiàn)[1]通過優(yōu)化斜極角度改善電磁激勵(lì)并建立包含激勵(lì)源和傳遞路徑的整機(jī)仿真流程。文獻(xiàn)[2]研究了隔磁橋?qū)﹄姍C(jī)NVH性能的影響，為隔磁橋設(shè)計(jì)提供思路。文獻(xiàn)[3]通過優(yōu)化轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)改善電磁力并通過試驗(yàn)驗(yàn)證優(yōu)化的有效性。文獻(xiàn)[4]提出能夠優(yōu)化48階噪聲的轉(zhuǎn)子拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。文獻(xiàn)[5-6]通過優(yōu)化定子加工工藝及結(jié)構(gòu)剛度改善電驅(qū)嘯叫。文獻(xiàn)[7]研究了PWM開關(guān)噪聲，建立仿真模型，通過試驗(yàn)驗(yàn)證仿真模型的準(zhǔn)確性。文獻(xiàn)[8]通過注入諧波電流改善電磁噪聲，從而提升整車NVH性能。

本文對(duì)某純電動(dòng)車型在中高速出現(xiàn)的高頻嘯叫問題進(jìn)行分析，通過整車主觀評(píng)價(jià)及客觀NVH數(shù)據(jù)分析確定噪聲是電機(jī)48階電磁噪聲，然后進(jìn)行電磁方案優(yōu)化，從激勵(lì)源處優(yōu)化噪聲。

1 整車評(píng)價(jià)及聲源分析

1.1 主觀評(píng)價(jià)

1）中大油門加速工況，0—100km/h：車速在25—50km/h車速段內(nèi)有明顯的嘯叫。

2）中小油門加速工況，0—100km/h：車速在25—50km/h車速段內(nèi)有明顯的嘯叫。

3）滑行工況，100km/h—0：車速在25—50km/h車速段內(nèi)有明顯的嘯叫。

嘯叫嚴(yán)重影響整車舒適性及駕駛體驗(yàn)，主觀評(píng)價(jià)初步判斷嘯叫來源于電驅(qū)。

1.2 客觀測(cè)試

為進(jìn)一步定位嘯叫噪音的來源，在車內(nèi)駕駛員右耳處及電驅(qū)10cm近場(chǎng)布置麥克風(fēng)，并在殼體上布置三軸振動(dòng)傳感器，通過數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集振動(dòng)、噪聲及轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩信號(hào)。車內(nèi)噪聲頻譜如圖1所示。

圖1中，車內(nèi)48階噪聲突出轉(zhuǎn)速段與主觀評(píng)價(jià)抱怨車速對(duì)應(yīng)轉(zhuǎn)速段一致，因此定位嘯叫是電機(jī)48階電磁噪聲，判斷由電機(jī)激勵(lì)過大導(dǎo)致。本文從降低電磁激勵(lì)的角度出發(fā)進(jìn)行電磁方案優(yōu)化。

2 電磁方案優(yōu)化

基于現(xiàn)有已開模電機(jī)考慮，改動(dòng)量盡可能小，以減小開發(fā)和驗(yàn)證代價(jià)。本文通過在轉(zhuǎn)子表面開對(duì)稱的輔助槽優(yōu)化48階扭矩波動(dòng)和電磁力。轉(zhuǎn)子輔助槽結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示，其設(shè)計(jì)參數(shù)包括輔助槽中心偏離D軸角度θ1、輔助槽角度θ2和θ3、輔助槽頂點(diǎn)距離圓心的距離L、輔助槽頂點(diǎn)半徑R。

2.1 扭矩波動(dòng)優(yōu)化

通過掃描輔助槽參數(shù)，以3000r/min、160N·m、120N·m、80N·m和40N·m工況48階扭矩波動(dòng)最優(yōu)，得到電磁激勵(lì)最優(yōu)的位置。優(yōu)化后輔助槽最優(yōu)參數(shù)見表1。

計(jì)算3000r/min160N·m、120N·m、80N·m和40N·m優(yōu)化前和優(yōu)化后電機(jī)輸出扭矩，并對(duì)扭矩進(jìn)行FFT分解，得到相應(yīng)工況24階、48階、96階和144階扭矩分量，計(jì)算相應(yīng)階次扭矩占輸出扭矩的比例。24階扭矩波動(dòng)結(jié)果見圖3，從圖中可以看出優(yōu)化后80N·m和40N·m工況的24階扭矩波動(dòng)比略微增大，24階扭矩波動(dòng)對(duì)應(yīng)24階噪聲，可以通過諧波注入進(jìn)一步優(yōu)化。48和96階扭矩波動(dòng)結(jié)果見圖4、圖5，從圖中可以看出48階和96階扭矩波動(dòng)占比在各工況下均有較大幅度下降。144階扭矩波動(dòng)結(jié)果見圖6，從圖中可以看出144階扭矩波動(dòng)在各工況下有所惡化，由于144階對(duì)應(yīng)的頻率較高，可以通過整車聲學(xué)包隔聲減小車內(nèi)噪聲。

2.2 電磁力計(jì)算

計(jì)算優(yōu)化前后7500r/min峰值扭矩對(duì)應(yīng)的電機(jī)電磁力，對(duì)電磁力進(jìn)行二維FFT分析，得到電磁力時(shí)空分布（圖7、圖8）。從圖中可以看出空間0階次和時(shí)間0階次徑向電磁力優(yōu)化前155000Pa，優(yōu)化后152200Pa，下降1.8%;空間0階次時(shí)間48階次優(yōu)化前9294Pa，優(yōu)化后8836Pa，下降4.9%;空間-8階次時(shí)間40階次優(yōu)化前25970Pa，優(yōu)化后24580Pa，下降5.3%，優(yōu)化后48階電磁力有所改善。

2.3 轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核

對(duì)NVH性能優(yōu)化的轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)仿真分析，同時(shí)考慮離心力載荷、溫度載荷及轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯之間過盈量的影響，設(shè)定溫度載荷為150℃，轉(zhuǎn)軸和轉(zhuǎn)子鐵芯之間采用最大過盈量0.035mm，分別校核轉(zhuǎn)速為最高工作轉(zhuǎn)速16000r/min和1.1倍最高工作轉(zhuǎn)速17600r/min下的靜強(qiáng)度，分析結(jié)果見圖9、圖10。

最高工作轉(zhuǎn)速16000r/min下，轉(zhuǎn)子鐵芯最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子外側(cè)的隔磁橋處，應(yīng)力值為252.2MPa，低于材料屈服強(qiáng)度368MPa，安全系數(shù)為1.46。1.1倍最高工作轉(zhuǎn)速17600r/min下，轉(zhuǎn)子鐵芯最大Mises應(yīng)力出現(xiàn)在轉(zhuǎn)子外側(cè)的隔磁橋處，應(yīng)力值為305.2MPa，低于材料抗拉強(qiáng)度489MPa，安全系數(shù)為1.6，強(qiáng)度滿足要求。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

優(yōu)化后樣機(jī)搭載整車NVH測(cè)試，主觀評(píng)價(jià)可以接受，車內(nèi)噪聲如圖11所示。優(yōu)化前后樣機(jī)48階噪聲切片如圖12所示，從圖中可以看出48階車內(nèi)噪聲在電機(jī)轉(zhuǎn)速2000～5000r/min范圍內(nèi)比優(yōu)化前改善5～10dB。

4 結(jié)論

本文針對(duì)某純電動(dòng)車型高頻嘯叫NVH問題進(jìn)行分析，定位噪聲源為電機(jī)48階電磁噪聲。

1）從減小激勵(lì)源的角度出發(fā)，通過在轉(zhuǎn)子表面開輔助槽，對(duì)輔助槽參數(shù)尋優(yōu)降低電磁激勵(lì)，改善電磁噪聲。優(yōu)化后3000r/min時(shí)，160N·m、120N·m、80N·m和40N·m工況下48階扭矩波動(dòng)大幅改善。7500r/min下，48階徑向電磁力密度降低5%左右。

2）對(duì)優(yōu)化后轉(zhuǎn)子進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度校核，最高工作轉(zhuǎn)速16000r/min下結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)為1.46，1.1倍最高工作轉(zhuǎn)速結(jié)構(gòu)強(qiáng)度安全系數(shù)為1.6，滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求。

3）優(yōu)化后樣機(jī)搭載整車NVH測(cè)試，主觀評(píng)價(jià)可接受，與優(yōu)化前方案相比，車內(nèi)48階噪聲在電機(jī)轉(zhuǎn)速2000～5000 r/min范圍內(nèi)改善5～10dB，驗(yàn)證NVH優(yōu)化方案的有效性。

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